CC BY
19
УДК 541.64:678
И. А. Каримов
ИЗУЧЕНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ ЭЛЕКТРЕТНОГО СОСТОЯНИЯ КОРОНОЭЛЕКТРЕТОВ НА ОСНОВЕ КОМПОЗИЦИЙ ПОЛИЭТИЛЕНА С ДИОКСИДОМ ТИТАНА
Ключевые слова: полиэтилен, диоксид титана, короноэлектрет.
Изучена релаксация потенциала поверхности при различных температурах. Установлено, что введение наполнителя в ПЭ повышает стабильность электретного состояния за счет увеличения энергии захвата инжектированных носителей заряда..
Keywords: polyethylene, titanium dioxide, corona electrets.
Of relaxation surface potential is studied at various temperatures. It is established that introduction of the filler to PE increases the stability of an electret state by virtue of capture energy increase of the injected charge carriers.
Введение
Электреты применяются в различных областях науки и техники [1-3], поэтому в настоящее время идет постоянный поиск дешевых и надежных материалов для их создания. Большое внимание в научных исследованиях уделяется повышению и сохранению электретных свойств крупнотоннажных полимеров, в т.ч. полиэтилена [3-10]. Однако до сих пор не ясен механизм релаксации заряда в композиционных материалах и влияние дисперсных наполнителей на кинетику релаксации заряда.
В данной работе был изучен механизм релаксации заряда и влияние диоксида титана на стабильность электретного состояния пластин полиэтилена, заряженных в поле коронного разряда.
Экспериментальная часть
В качестве объекта исследования был выбран полиэтилен (ПЭВД) марки 15813-020 и концентрат диоксида титана 111413 White PE MB.
Экструдирование полимера с наполнителем осуществляли на Brabender Extruder-19-25D. Полимер предварительно перемешивался с добавкой и наполнителем, загружался в воронку экструдера, где затягивался шнеком в цилиндр, нагретый до заданной температуры по зонам, и через экструзионную головку выдавливался в виде ленты шириной 100 мм и толщиной 1,8 мм. Из лент вырезали пластины размером 100*100 мм.
Электретирование полимерных пластин осуществляли в коронном разряде с помощью электрода, состоящего из 196 заостренных игл, равномерно расположенных на площади 49 см2 в виде квадрата. Расстояние между пластиной и электродом составляло 20 мм, напряжение поляризации - 30 кВ, время поляризации - 30 сек. Перед электретированием пластины выдерживались 10 минут в термошкафу при температуре 100 ° С.
Хранение электретных образцов осуществлялось в бумажных конвертах при комнатной температуре и влажности. Измерение зависимости потенциала поверхности Уэ образцов проводили ежедневно на измерителе параметров электростатического поля ИПЭП-1 по ГОСТ 22261-94. Время от поляризации
пластин до первого измерения электретных свойств составляло 1 час. Для исследования термостабильности электретные образцы помещали в термошкаф с температурой 70°С или 90°С и выдерживали их в течение 360 минут. Каждые 60 минут производили замер электретных характеристик.
Результаты и их обсуждение
Изучена кинетика релаксации заряда в пластинах ПЭВД при изотермических условиях в широком интервале температур (Т = 22 - 90 оС образцов). Полученные зависимости образцов УЭ от времени хранения при различных температурах представлены на рисунке 1.
Из рисунка 1, следует, что стабильность элек-третного состояния существенно возрастает у пластин ПЭВД с 3,5 и 10,5 масс. % диоксида титана по сравнению с исходным полиэтиленом. Видно, что спад Уэ электретов, измеренные как при комнатной, так и при повышенных температурах, описывается суммой двух экспонент с временами релаксации т1 и Т2 [6].
Зависимость Vэ = Дт) при длительном хранении электрета в свободном состоянии (без одного из электродов) описывается, как правило, спадающей со временем кривой. Простейший теоретический анализ спада Уэ основан на положении, что электретные свойства композиций изменяются с течением времени в соответствии с дифференциальным уравнением, из которого может быть получена формула для расчета тэ по экспериментальной кривой Уэ(1) [6]:
Для расчета тэ1 и тэ2 из рисунка 1 были определены Ат и А1пУэ, значения которых представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Значения изменения натурального логарифма А1пУэ и изменения времени Дт композиционных электретов при хранении при различных температурах
Рис. 1 - Зависимость Уэф образцов, хранившихся при а - комнатной температуре, б - при 70 °С, в - при 90 °С (1 - исходный ПЭвД; 2 - ПЭВД + 3,5 масс. % диоксида титана; 3 - ПЭВД + 10,5 масс. % диоксида титана)
Температурные зависимости времен релаксации потенциала поверхности хэ1 и тэ2, рассчитанные из представленной выше формулы приведены на рисунке 2. Эти значения в полулогарифмическом масштабе имеют прямолинейный характер, т. е. тэ1, как функция от 1/Т описывается экспоненциальным законом [6].
Релаксация гомозаряда может быть обусловлена собственной проводимостью диэлектрика, тогда в соответствии с выражением [6]:
где тм - максвелловское время релаксации, у -удельная объемная электропроводимость, ру -удельное объемное электрическое сопротивление.
Т, 0С Лть с Л^э2 Лт2, с
ПЭВД
22 0,32 12811 0,21 48300
70 0,28 3400 0,31 13330
90 0,32 2450 0,45 10350
ПЭВД + 3,5 масс.% диоксида титана
22 0,63 330750 0,098 604800
70 0,4126 14400 0,059 10800
90 1,276 18000 0,064 3600
ПЭВД + 10,5 масс.% диоксида титана
22 0,55 345600 0,054 4233600
70 0,39 18000 0,037 10800
90 1,028 18000 0,0406 3600
Рис. 2 - Температурные зависимости времен релаксации потенциала поверхности пластин ПЭВД с добавлением диоксида титана: 1 - тэ2 для композиций ПЭВД + 10,5 масс. % ТЮ2, 2 - тэ2 для композиций ПЭВД + 3,5 масс. % ТЮ2, 3 - тэ1 для композиций ПЭВД + 10,5 масс. % ТЮ2, 4 - тэ1 для композиций ПЭВД + 3,5 масс. % ТЮ2, 5 - тм для композиций ПЭВД + 10,5 масс. % ТЮ2, 6 - тм для композиций ПЭВД + 3,5 масс. % ТЮ2, 7 - тэ2 для композиций ПЭВД, 8 - тэ2 для композиций ПЭВД
Максвелловское время релаксации (тм) было рассчитано согласно представленной выше формуле и приведены на рисунке 2, удельное объемное электрическое сопротивление (ру) для систем ПЭВД с 3,5 % диоксидом титана, ПЭВД с 10,5 % диоксидом титана, было определено экспериментально, данные которой приведены в таблице 2.
Величина тм для образцов ПЭВД с 10,5 масс. % диоксида титана (рисунок 2, точка 5) оказалась на 2 порядка больше, чем тэ2 (рисунок 2, кривая 1), а для образцов ПЭВД с 3,5 масс. % диоксида титана (рисунок 2, точка 6) оказалась на три порядок больше, чем тэ2 (рисунок 2, кривая 2). Это свидетельствует о
б
в
том, что релаксация заряда идет не за счет собственной проводимости, а за счет освобождения носителей заряда из ловушек.
Таблица 2 - Зависимость удельного объемного электрического сопротивления и удельного поверхностного электрического сопротивления полиэтилена марок 15813-020 и 8аЫе 118Щ от количества диоксида титана или сажи
ПЭ + 10,5 % TiO2
0,49
0,66
Композиция Pv*10-14, Ps*10-13,
Ом*м Ом*м
ПЭ марки 15813-020 9,1 1,35
ПЭ марки 15813-020 с 3,5
% диоксид титана 8,5 1,33
ПЭ марки 15813-020 с 7
% диоксид титана 7,4 1,30
ПЭ марки 15813-020 с
10,5 % диоксид титана 5,9 1,30
ПЭ марки 15813-020 с 14
% диоксид титана 4,3 1,29
ПЭ марки 8аЫс 118Ш 9,9 1,44
ПЭ марки 8аЫс 118Ш с
2,5 % сажи 9,1 1,44
ПЭ марки 8аЫс 118Ш с 5
% сажи 7,7 1,44
ПЭ марки 8аЫс 118Ш с
7,5 % сажи 6,2 1,43
ПЭ марки 8аЫс 118Ш с
10 % сажи 4,5 1,42
Энергия активации рассчитанная по наклону прямых ^тэ1=Д5040/Т), полученных путем изучения кинетики релаксации заряда для различных композиций приведена в таблице 3 [6]:
Полученные данные показывают, что значения энергии активации W для времен релаксации тэ1 и тэ2 в образцах ПЭВД с 3,5 или 10,5 масс. % мелкодисперсного наполнителя диоксида титана отличаются и составляют соответственно 0,48 и 0,64 или 0,49 и 0,66 эВ. Если сравнивать значения энергии активации W для образцов ПЭВД с 3,5 и 10,5 масс. % диоксида титана со временем релаксации тэ1 или тэ2, близки и составляют соответственно 0,48 и 0,49 или 0,64 и 0,66 эВ. Время релаксации заряда композиций с увеличением энергии активации становится больше, что вполне логично.
Таблица 3 - Энергия активации, рассчитанные по наклону прямых ^тэ^/(5040/Т)
Материал W, эВ при тэ1 W, эВ при тэ2
ПЭ 0,25 0,32
ПЭ + 3,5 % TiO2 0,48 0,64
Заключение
Таким образом, в работе была изучена релаксациия потенциала поверхности при различных температурах. Установлено, что введение наполнителя в ПЭ повышает стабильность электретного состояния за счет увеличения энергии захвата инжектированных носителей заряда.
Величина тм для образцов ПЭВД с 10,5 масс. % диоксида титана (рисунок 2, точка 5) на два порядок больше, чем тэ2 (рисунок 2, кривая 1). Это свидетельствует о том, что релаксация заряда идет не за счет собственной проводимости, а за счет освобождения носителей заряда из ловушек.
Литература
1. Лущейкин Г.А. Полимерные электреты. - М.: Химия, 1984. - 184 с.
2. Галиханов М.Ф., Гороховатский Ю.А., Гулякова А.А., Карулина Е.А., Рынков А.А., Рынков Д.А., Темное Д.Э. Способы получения, методы исследования и электрофизические свойства композитных полимерных пленок / под общ. ред. проф. Ю.А. Гороховатского. - Санкт-Петербург: изд-во «Фора-принт», 2014. - 264 с.
3. Галиханов М.Ф., Дебердеев Р.Я. Полимерные короно-электреты: традиционные и новые технологии и области применения // Вестник Казанского технологического университета. - 2010. - № 4. - С. 45-57.
4. Галиханов М. Ф. Коноэлектреты на основе полиэтиленовых композиционных материалов // Материаловедение. - 2008. - № 7. - С. 15-28.
5. Вертяних И.М., Пиннук Л.С., Цветкова Е.А. Влияние наполнителей на величину электретного заряда полимерных материалов // Высокомолек. соед. Сер. Б.- 1987.
- Т. 29. - № 6.- С. 460-463.
6. Осина, Ю.К., Борисова М.Э., Галиханов М.Ф. Влияние добавок технического углерода на стабильность элек-третного состояния полиэтилена высокого давления / Ю.К. Осина, // Научно-технические ведомости СПбГПУ.
- 2013. - № 4-1. - С. 151-157.
7. Каримов И. А., Галиханов М.Ф. Изучение комплекса свойств короноэлектретов на основе композиций полиэтилена и аэросила // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - № 9. - С. 127-130.
8. Галиханов М.Ф., Лунихина Т.А. Электретные свойства смесей полиэтилена высокой плотности и полистирола // Журнал прикладной химии. - 2006. - Т. 79, Вып. 7. - С. 1163-1167.
9. Рынков А.А., Трифонов С.А., Кузнецов А.Е., Соснов Е.А., Рынков Д.А., Малыгин А.А. Влияние химического модифицирования поверхности полиэтилена высокого давления на его электретные свойства // Журнал прикладной химии. - 2007. - Т. 80, Вып. 3. - С. 463-467.
10. Галиханов М.Ф., Еремеев Д.А., Дебердеев Р.Я. Влияние диоксида титана на электретные свойства полиэтилена высокого давления // Вестник Казанского технологического университета. - 2003. - № 1. - С. 299-305.
© И.А. Каримов - ассистент кафедры технологии конструкционных материалов КНИТУ
© I. А. Karimov - Candidate of Technical Scinses, the assistant professor of Departament TCM KNRTU, ilnyr. [email protected].
